研究成果のポイント・ハードディスクの読み取りヘッドや固体磁気メモリ※1として広く利用されているトンネル磁気抵抗素子※2は、これまで硬い半導体シリコン(Si)基板上に形成されてきた。今回、硬いトンネル磁気抵抗素子に匹敵する性能を柔らかいプラスチック基板(フレキシブル基板)上の素子で実現。・今回作製に成功した柔らかいプラスチック基板上に形成したトンネル磁気抵抗素子は、繰り返し基板を引き伸ばしても壊れず動作する高い耐久性と、500°C近い加熱に対しても耐熱性をもつことを確認。・ウェアラブルデバイスへの磁気メモリ混載や、基板を引き伸ばすことで可逆的に変化する磁気的性質が大きな抵抗変化をもたらす現象を利用したメカニカルセンサなど、スピン素子※3の新たな産業応用展開へ向け大きく前進。安藤陽氏らと共同で、柔らかいプラスチック基板(フレキシブル基板)上に形成したトンネル磁気抵抗素子(図1)が、硬い半導体基板上に形成した素子に匹敵する性能をもつことを実証しました。同素子は繰り返し基板を引き伸ばしても壊れず動作する高い耐久性と、500°C近い加熱に対しても耐熱性をもつことを確認しました。これらの結果は同素子が実用レベルに近い性能を有していることを示すものです。今後、ウェアラブルデバイスへの磁気メモリ混載やフレキシブルな高感度磁界センサとしての実用化、基板を引き伸ばすことで可逆的に変化する磁気的性質が大きな抵抗変化をもたらす現象を利用したメカニカルセンサの実用化など、スピン素子の新たな産業応用展開を切り拓くことが期待できます。Letters」に、11月11日(月)に公開されました。Pickに選出されました。柔らかいプラスチック基板(フレキシブル基板)上に形成したトンネル磁気抵抗素子の写真(左下・右上)と概略図(中央)。共同で、柔らかいフレキシブル基板上のスピン素子を用いた新たな産業応用展開を推し進めています。スピン素子にはメモリ機能や磁界センシング機能がありますが、これに柔らかさが付与されることで、IoT産業上きわめて重要なメカニカル動作の検知(生体や構造物表面のモーションやひずみ検知など)も機能として加わります。安藤陽氏らと共同で、柔らかいプラスチック基板(フレキシブル基板)上に形成したトンネル磁気抵抗素子が、硬い半導体基板上に形成した素子に匹敵する性能をもつことを実証しました。本研究で用いたトンネル磁気抵抗素子は、ハードディスクの読み取りヘッドや固体磁気メモリで広く用いられているCoFeB/MgO/CoFeBの積層構造(図1)であり、CoFeBが磁性体、MgOはトンネル障壁です。図2(a)は、素子抵抗の磁界に対する依存性を示しています。抵抗が高い(低い)磁界領域では、磁気トンネル接合内の2層のCoFeB磁性層の磁化の向きが互いに反平行(平行)になっています。素子に高温処理(アニール)を施すことにより、抵抗変化率が大きく増大していることが分かります。今回、ポリイミド製の基板を用いることで、500°Cまでの高温アニールに耐えうる素子を形成することに成功しました。図2(b)は図2(a)における最大抵抗変化率をアニール温度に対してプロットした図です。450°C付近で抵抗変化率が200%近い値(抵抗が3倍程度変化することに相当)をとっており、フレキシブル基板上の素子は硬いSi基板上に形成した素子と同等以上の性能を示していることが分かります。用いた詳しい調査により、高温アニールがMgO層の結晶化を促進し、抵抗変化率増大をもたらしていることが裏付けられました(図3)。同素子を引っ張っては元に戻しということを1000回繰り返しても、素子の抵抗や200%程度の抵抗変化率は全く変化せず、高い耐久性が示されました(図4)。(a)柔らかいプラスチック基板(フレキシブル基板)上に形成したトンネル磁気抵抗素子の抵抗の外部磁界依存性と(b)最大の抵抗変化率のアニール温度依存性。社会に与える影響(本研究成果の意義)本結果は、柔らかいスピン素子が実用に耐えうる性能を持っていることを示した世界初の成果です。スピン素子は集積化が容易であり、かつセンサとしても高感度です。Letters」に掲載されました。Japanの支援を受けて行われました。固体磁気メモリ磁性体を用いた不揮発性メモリ(電源を投入しなくても記憶を保持できる情報記録デバイス)。※2で説明するトンネル磁気抵抗素子の抵抗の大きさが0と1の情報に対応している。トンネル磁気抵抗素子2層の磁性体で薄い絶縁層をサンドイッチした構造を持つ素子。それぞれの層は数ナノメートル程度の厚みをもつ。2層の磁性体の磁化の向きが互いに平行のとき絶縁層を介したトンネル電流が大きく、反平行の時小さい。磁化が平行の時、素子の抵抗が低く、反平行の時高くなる。これを0と1の情報に対応させることで、※1で説明した磁気メモリのビットとして用いられている。素子の抵抗は磁化の相対角度に依存して連続的に変化するため、外部から加わる磁界に応じて中間的な磁化の相対角度を示す状況にあれば、磁界センサとしても機能する。後者はハードディスクの読み取りヘッドとして用いられている。スピン素子ナノメートル程度の厚みを持つ磁性体の薄膜や積層構造を用いた機能性電子デバイス。研究者のコメント(千葉大地教授)スピン素子に柔らかさを持たせることで、これまでスピントロニクス分野が目指してきた磁気記録技術の高度化の範疇に留まらない広い応用展開が拓けます。非常に高いことを示す重要な結果であると考えています。この組織の他の研究を見る産業科学研究所ツイートHottest社会の思考を深め、科学・医療を前に進める。「再生」のメカニズム失った歯周組織を再生させる薬-普通と思っている生活を、普通に送るための医療を-気まぐれな「細胞」を安定的につくり、安価で患者に届けるには?コトづくりで再生医療技術の産業化へ。患者の視力を取り戻せ。角膜上皮細胞シート移植、そして眼球の再現へ。